Rudiments sur les émissions lumineuses/Luminescence, fluorescence et phosphorescence

Début de la boite de navigation du chapitre

fin de la boite de navigation du chapitre

Luminescence

Nous avons étudié, dans le chapitre précédent, l’incandescence qui permet de transformer de l’énergie thermique en rayonnement.

Malheureusement ce mécanisme nécessite, pour obtenir un bon rendement en rayonnement lumineux visible, des températures élevées (idéalement 5 220 Kelvins). Comme les filaments des ampoules électriques ne supportent pas des températures aussi élevées, l’efficacité lumineuse de ces lampes reste faible. La thermodynamique nous enseigne que l’énergie thermique est une forme particulièrement dégradée de l’énergie. Nous sommes donc amenés à penser que si l’on arrivait à obtenir un rayonnement à partir d’une autre forme d’énergie, le rendement lumineux serait bien meilleur.

Par conséquent, nous définirons la luminescence ainsi :

Définition de la luminescence.

La luminescence est l’émission de tout rayonnement électromagnétique visible, infrarouge ou ultraviolet, qui n’est pas totalement d’origine thermique.

Là aussi, le rayonnement est obtenu par l’émission de photons lorsque les électrons passent d’une orbite d’énergie élevée à une orbite d’énergie plus basse. Mais, pour atteindre initialement l’orbite d’énergie élevée, l’électron utilisera une forme d’énergie qui n’est pas thermique.

L’énergie initialement utilisée peut être d’origine chimique ou biologique. C’est le cas des lucioles dont le corps est lumineux la nuit et qui, comme on peut logiquement s’en douter, arrive à fournir un rayonnement lumineux sans utiliser beaucoup d’énergie.

L’énergie utilisée peut aussi être d’origine mécanique. On peut citer comme exemple, les écrans des télévisions qui émettent de la lumière sous l’effet du choc des électrons qui sont projetés sur celui-ci par un canon à électron se trouvant à l’intérieur du tube cathodique (cathodoluminescence).

L’énergie utilisée peut provenir d’un autre rayonnement extérieur qui apporte des photons d’énergie plus élevée que l’énergie nécessaire à l’électron pour changer d’orbite. Ce phénomène s’appelle photoluminescence et nous en verrons justement un exemple dans le chapitre suivant lorsque nous étudierons le tube fluorescent.

On peut aussi citer comme exemple de photoluminescence des produits que l’on met sur des vêtements en tant qu’apprêts et qui transforment les ultraviolets en provenance du soleil en lumière visible, permettant ainsi d’obtenir, par exemple, des blancs éclatants. L’énergie utilisée peut provenir aussi d’un champ électrique (électroluminescence). C’est le cas, par exemple, dans les écrans plats (écran LCD ou écran plasma).

Fluorescence et phosphorescence

Selon le temps que met un électron à redescendre à un niveau d’énergie inférieur, après être monté à un niveau supérieur, nous distinguerons deux types différents de luminescences :

Si, après avoir reçu de l’énergie du milieu extérieur et être monté à un niveau d’énergie supérieur, l’électron redescend rapidement à son niveau d’origine (de l’ordre de 10^-8 seconde), on dira que l’on a affaire à de la fluorescence. Si l’électron ne redescend pas de suite à un niveau inférieur, nous serons en présence de phosphorescence.

Un des avantages de la fluorescence est que l’électron ne redescend pas toujours directement à son niveau d’énergie d’origine. Il peut redescendre en passant par des niveaux d ‘énergie intermédiaire. Il effectue donc des sauts d’énergie moins élevée et émet par conséquent des photons d’énergie inférieure au photon que l’électron avait reçu initialement pour atteindre son niveau d’énergie supérieur. On peut donc ainsi, en irradiant une substance fluorescente avec un rayonnement de fréquence élevée (ultra violet par exemple) obtenir de la part de la substance, une réémission sur des fréquences moindres (lumière visible par exemple). C’est pour cela que certains panneaux de signalisation recouverts d’une substance fluorescente peuvent paraître plus lumineux que s’ils étaient simplement recouverts de peinture ordinaire.

Dans la phosphorescence, l’électron, après être passé sur un état d’énergie supérieur, ne se désexcite pas immédiatement. Il reste dans un état métastable d’où il ne sortira qu’après avoir reçu un apport d’énergie supplémentaire. Cet apport d’énergie pouvant être peu probable, l’électron risque de rester dans son état métastable durant un temps qui pourra atteindre, dans certains cas, plusieurs heures. On peut citer en exemple les colliers lumineux vendus dans des fêtes.